铁电材料及其在存储器领域的应用
目录
摘要 (1)
Abstract (1)
1 前言 (1)
2 压电材料 (2)
3 储能用铁电介质材料 (3)
3.1 BaTiO3基陶瓷 (3)
3.2 SrTiO3基陶瓷 (4)
3.3 TiO2陶瓷 (4)
3.4 PMN 基陶瓷以铌镁酸铅 (4)
4 有机铁电薄膜材料 (4)
5 铁电阻变材料 (5)
6 多铁性材料 (5)
7 铁电材料的应用 (5)
7.1 铁电存储器(MFSFET) (6)
7.2 铁电存储器的应用 (8)
8 结语 (9)
参考文献 (10)
铁电材料及其在存储器领域的应用
摘要：铁电材料的优秀电学性能孕育了它广阔的应用前景，其电子元件有着集成度高、能耗小、响应速度快等众多优点。而且目前研究者将铁电材料同其它技术相结合，使新诞生的集成铁电材料性能更为优秀。介绍了铁电材料的发展历史和当前的应用概况。
关键词：铁电材料；铁电性；存储器；应用
Application of ferroelectric materials and in the area of
memory
Abstract：Ferroelectric materials, one of the current research focuses with numbers of physical advantages such as high integration, low energy consumption and fast response, has broad application prospects in many aspects．Being combined with other physical technologies,the properties of ferroelectric materials can be significantly improved．Describes the historical development of ferroelectric materials and current applications．
Keywords：ferroelectric materials；Iron electrical；memorizer ；development
1前言
铁电材料，是指具有铁电效应的一类材料，最早的铁电效应是在1920年由法国人Valasek在罗谢尔盐中发现的，这一发现揭开了研究铁电材料的序幕。在1935 年Busch发现了磷酸二氢钾KH2PO4——简称KDP，其相对介电常数高达30，远远高于当时的其它材料。1940年之后，以BaTiO3为代表的具有钙钛矿结构的铁电材料陆续被发现，这是铁电历史上里程碑式的时期。直至20世纪80年代，随着铁电唯象理论和软膜理论的逐渐完善，铁电晶体物理内涵的研究趋于稳定。20世纪80年代中期，薄膜制备技术的突破为制备高质量的铁电薄膜扫清了障碍，并且近年来随着对器件微型化、功能集成化、可靠性等要求的不断提高，传统的铁电块体由于尺寸限制已经不能满足微电子器件的要求。铁电器件在向薄膜尺寸量级过渡的同时又与半导体工艺结合，研究者们迎来了集成铁电体的时代。集成铁电体是凝聚态物理和固体电子学领域的热门课题之一。铁电材料有着
丰富的物理内涵，除了具备铁电性之外，还具有压电性、介电性、热释电性、光电效应、声光效应、光折变效应以及非线性光学效应等众多性能，可用于制备电容器件、压力传感器、铁电存储器、波导管、光学存储器等一系列电子元件，铁电材料因其广阔的应用前景而备受关注。目前的铁电器件往往仅单独用到了铁电材料中的单一性能，如压电性或者热释电性。将铁电材料中的性能综合在一起或者将铁电技术同半导体等其它技术结合在一起的集成铁电材料有着更为强大的功能。铁电材料的研究进展主要包括：①提高现有材料的单一性能，如压电材料中准同型相界以及合适的晶格取向会大幅度提高压电系数。②开发新型铁电材料，如存储能量的电介质和有机铁电材料。③将铁电性同其他性能结合，包括可以实现磁电互控的具备多种初级铁性的多铁材料，以及可以通过铁电极化调控材料内部电阻的铁电阻变材料。
2 压电材料
所有的铁电材料都同时具备铁电性和压电性。铁电性是指在一定温度范围内材料会产生自发极化。由于铁电体晶格中的正负电荷中心不重合，因此即使没有外加电场，也能产生电偶极矩，并且其自发极化可以在外电场作用下改变方向[1]。当温度高于某一临界值时，其晶格结构发生改变，正负电荷中心重合，自发极化消失，这一温度临界值称为居里温度(Tc)。压电性是实现机械能——电能相互转换的一种性质。若在某一方向上给材料施加外力使材料发生形变，其内部会发生极化并在表面产生电荷，这就是压电效应; 相反，若给材料施加电场则材料会发生形变而产生机械力，这就是逆压电效应。所有的铁电材料都具备上述 2 种特性，这是构建机电系统的材料基础之一。随着器件微型化要求的逐步提高，传统的压电块体正逐步向压电薄膜过渡，特别是微机电系统(Micro Electromechanical System，MEMS) 的出现以及薄膜生长技术的完善，使压电薄膜成为主要的研究内容。
并非所有的压电材料都具备铁电性，如压电薄膜ZnO，AlN就不具备铁电性。这两者有着近似的压电性能，都在［0001］方向上表现出压电性。一般来说AlN 比ZnO有着更大的优势，首先AlN能够更好地和Si基的半导体技术兼容。另外，AlN 的能隙高达6eV，有着更好的电绝缘性，而ZnO的能隙只有3eV，并且Zn 离子容易变价[2]，因此制备绝缘性好的ZnO 非常困难。良好的直流导电
性会使材料在低频下的介电损耗变大，基于这类材料的传感器和驱动器在10KHz 以下工作时有很大的损耗。表1列出了3种压电薄膜的主要性能参数[3-5]。
表1不同类型压电薄膜的压电性能、介电性能对比
3 储能用铁电介质材料
作为脉冲功率技术设备主体部分的高功率脉冲电源，为脉冲功率装置的负载提供电磁能量，主要由初级能源、能量储存系统、能量转换和释放系统组成。目前，主要有机械能储能、电容器储能、电化学储能3种方式用于脉冲功率技术的能量储存。相对于其它储能器件，电容器储能因为具有储能密度高、能量释放速度快、可靠性高、安全性高、价格低廉以及较易实现轻量化和小型化等优点，因此成为目前高功率脉冲电源中应用最广的储能器件之一[6-7]。
3.1 BaTiO3基陶瓷
以BaTiO3陶瓷为代表的铁电体具有较高的介电常数，是制造铁电陶瓷电容器的基础材料，也是目前国内外应用最广泛的电子陶瓷材料之一。在介电层厚度确定的情况下，材料的介电常数越高，电容器的比电容越大，越易于实现器件的小型化。许多研究结果表明，掺杂可以改善BaTiO3陶瓷的介电性能从而更有利于储能电容器应用，可以掺杂的元素离子包括Nd3+，Ca2+，Sr2+，La3+，Sn4+，Zr4+，Mg2+，Co3+，Nb5+，Mn4+和稀土离子的掺杂[8]。表2为常用的高介电稳定性BaTiO3铁电陶瓷系统材料的配方，添加物种类其测试的性能[9]。
表2高介电稳定性BaTiO3铁电陶瓷系统的配方及其性能
3.2 SrTiO3基陶瓷
SrTiO3基陶瓷具有高介电常数，低介电损耗和稳定的温度、频率和电压特性，是用于制备大容量陶瓷晶界层电容器的理想材料。Yamaoka等研制出的系列陶瓷不仅具有优良的介电性能和显著的伏安非线性特性，而且具有吸收1000~3000 A/cm2这样较高电涌的能力，所以该材料兼有大容量电容器和压敏电阻器的功能。SBBT陶瓷属于SrTiO3系，是在SrTiO3-m( Bi2O3·nTiO2)系(简称SBT)陶瓷的基础上加入BaTiO3等烧制而成的，具有介电常数大，介质损耗小，击穿场强高的特点[10]。
3.3 TiO2陶瓷
TiO2陶瓷具有高的耐击穿强度(~350kV/cm)和较高介电常数(~110)，从而具有可观的储能密度。研究表明[11]，纳米晶TiO2陶瓷比粗晶制备的TiO2陶瓷具有更高的耐击穿强度(最高可达2200 kV/cm)。
3.4 PMN 基陶瓷以铌镁酸铅
Pb(Mg1/3Nb2/3)O3(简称PMN)为代表的铅基复合钙钛矿结构弛豫型铁电陶瓷，以其优良的介电、铁电性能，在多层陶瓷电容器(MLCC)和高压高介电常数电容器等诸多方面，正被各国学者所关注，具有十分广阔的应用前景。PMN-PT[12]，PMN-PT－BT[13]也都属于PMN基的电容器材料。
4 有机铁电薄膜材料
有机铁电薄膜的制备方法包括溶胶—凝胶法、旋涂法(Spin-Coating)、分子束外延技术及Langmuir-Blod-get膜技术等。与传统的无机材料相比，有机聚合物材料具有易弯曲、柔韧性好、易加工、成本低等优点而备受关注。作为一种新型的铁电体，铁电高分子聚合物的研究主要以聚偏氟乙烯(Poly Vinylidene Fluoride，
PVDF)及其共聚物为代表。此外，具有铁电性的聚合物材料还有聚三氟乙烯、聚氨酯和奇数尼龙等[14-16]。有机铁电材料具有良好的压电和电致伸缩效应、热电效应、光电效应、光学非线性效应和介电响应，广泛应用于传感器、探测器、换能器、非易失性存储器等电子器件中。铁电存储器利用铁电材料产生的不同方向的剩余极化来存储信息，基于有机铁电聚合物薄膜的电容结构的铁电存储器在1995年被提出。
5 铁电阻变材料
不同于铁电材料在极化翻转过程中产生的瞬态电流，铁电极化调制铁电材料内部电阻在2009年以前鲜有报道，尚未有成熟的理论。传统意义上，当铁电材料的电阻值在绝缘体范围，铁电极化能够被翻转，同时伴随较大的瞬态极化电流，但是穿过铁电材料自身的稳态电流(比如漏电流)非常微弱，此时无需考虑铁电极化与铁电材料自身稳态电流的耦合关系。当铁电材料的电阻值较小时，铁电极化难以翻转，即难以观测到铁电极化翻转与铁电材料自身稳态电流的耦合现象。2000年前后Julian等人提出，如果铁电薄膜尺度在5nm以下，电子可以在小于铁电矫顽场的电场作用下隧穿铁电薄膜，样品的电阻值较小，铁电薄膜的极化翻转将影响电子隧穿势能和隧穿电流[17]。
6 多铁性材料
多铁性材料指具2种以上初级铁性体特征的材料，此类性质包括铁电性、反铁电性、铁磁性以及反铁磁性等。多铁性材料的研究是目前材料科学及凝聚态物理中的一个宽广的新领域，蕴含着丰富的材料科学与物理学研究课题，以及可预期的广阔应用前景。铁电存储器(FeRAMs)读写速度快、集成度高，然而存在破坏性读取和疲劳等问题。磁致电阻随机存储器(MRAMs)的读取虽是非破坏性的，但却有读取时间较慢并且磁写入所需功率较大等缺点。多铁性材料的出现为FeRAMs 和MRAMs 各自优点(低功率的电写入操作和非破坏性的磁读取操作)的融合提供了契机。多铁性材料具有同时存在的铁电性和磁性，是一种新型多功能材料，提供了同时用电极化和磁化来编码储存信息的可能性，而且还存在磁性和电性的强耦合，可以实现磁性和电性的互相调控[18]。
7 铁电材料的应用
7.1 铁电存储器(MFSFET)
铁电材料是具有自发极化，且自发极化有两个或多个取向，自发极化的取向可以在外加电场的作用下转向的材料[19,20]。铁电材料剩余极化的两种状态分别对应着存储器的“0”态和“1”态，并能通过外电场的方向的改变进而改变存储状态来读取信息，这为信息存储提供了可能，从而产生了铁电存储器这一新的存储器件。
MFS(Metal Ferroelectric –Semiconductor)FET；在MOS中用铁电薄膜(F)代替二氧化硅栅氧化物薄膜(O)构成MFSFET场效应管；由于极化滞后，漏电流展现两种状态：开，关；读写过程不需要大电场，在读后也不需重写。设计简单。随着整机和系统向着小型化、轻量化方向发展，微电子、光电子、微电子机械等对铁电材料提出了小型化、薄膜化、集成化等要求。在此背景下，铁电材料与工艺和传统的半导体材料与工艺相结合而形成了一门新兴的交叉学科—集成铁电学(Intergrated Ferroelectrics)。
同时，铁电材料及器件的研究发生了两个重要的转变：一是由单晶器件向薄膜器件发展；二是由分立器件向集成化器件发展。
7.1.1 存储原理
铁电晶体属于典型的ABO3型钙钛矿结构[21]，如图3所示。在居里温度(Tc) 以下，铁电晶体发生自发畸变，B 位原子相对晶胞中其他原子发生位移，产生净偶极矩,形成自发极化。没有外加电场的情况下，+Pr 和Pr 就表示了“0”、“1”两种稳定状态。当外电场作用于铁电晶体时，中心原子顺着外加电场的方向在晶体里上下移动，它需要通过一个能量势垒，能引起电荷击穿。内部电路感应到电荷击穿并配置存储器。当电场从晶体移走后，中心原子会保持在原来的位置，存储器的状态也得以保存。铁电存储器不需要定时更新，断电后数据能够继续保存，速度快而且不容易写坏。铁电存储器是基于铁电材料的铁电特性进行信息存储的。这使得它在不加电场的情况下保持稳定不变，并且不受辐照等干扰源的影响，因而铁电存储器具有非挥发性、抗辐射、抗干扰和存储速度快的优良特性。
图3 铁电薄膜电滞回线及存储原理示意图
7.1.2 铁电随机存储器
同时，随着计算机信息技术的迅速发展，对信息存储器的存储密度、读写速度、功耗和存储寿命等提出了更高的要求，而现有的传统非易失性存储器，如EEPROM、Flash 等已经难以满足这些要求。同传统的非易失性存储器相比，铁电随机存储器(FeRAM)具有一些独一无二的特征。铁电随机存储器能兼容RAM 的一切功能，并且和ROM技能一样，是一种非易失性的存储器。同时，它具有功耗小、读写速度快、抗辐照能力强、可存储大量资料的动态随机存储器(DRAM) 与高速运作的静态随机存储器(SRAM)的优点，在断电后，资料不会消失，亦具备闪存储器的优点。因此对应用于电子计算机系统的铁电存储器进行重点研究。
铁电材料的非线性性质可以用来制造电容可调的电容器。一个铁电电容器的典型结构是两个电极夹一层铁电材料。铁电材料的介电常数不仅可以调节，而且在相变温度附近值非常大。这使得铁电电容器与其他电容器相比体积非常小。
带有滞归特性的自发极化的铁电材料可以用来制造存储器。在实际应用中，铁电材料可以用来制造电脑和RFID卡。这些应用通常是基于铁电薄膜，这样用一个不太大的电压就可以产生一个强大的矫顽场。
铁电材料可作信息存储、图象显示，像BaTiO3一类的钙钛矿型铁电体具有
很高的介电常数可以做成小体积大容量的陶瓷电容器。铁电薄膜能用于不挥发存贮器外，还可利用其压电特性，用于制作压力传感器，声学共振器，还可利用铁电薄膜热释电非致冷红外传感器研究MEMS的微传感器和微执行器。
7.1.3 非挥发性铁电随机存储器(NvFeRAM)
其特点为：即使在电源中断的情况，存储的信息也不会丢失；铁电体不仅作为电容而且是存储器的一部分；低电压运作(1.0-5.0V), 低功耗；小尺寸，仅为EEPROM单元的20%；抗辐射。(军用，卫星通讯)；高速：200ns读取时间；易与其它Si器件集成。
7.1.4 铁电动态随机存取存储(DRAM)
铁电薄膜作为一大介电常数的电容介质；利用铁电体大的介电常数(ε=100-2000)，代替原来用的SiO2(ε=3.9)，可以减小存储单元面积。
7.2 铁电存储器的应用
铁电存储器最早应用于美国军事的核武器中，现已成功的转为商用(包括商业卫星)，今后将主要用于智能卡，sony walkman player的自动存储器，个人电脑等中。同时由于这种新产品的工作速度优于闪存，其特别适用于交通管理系统作为非接触的集成电路卡。利用这种集成电路卡，车辆可快速通过收费站，从而提高公路运输效率。使用这种新型集成电路可在噪杂的环境下进行快速的识别，甚至可将其用于电子货币。发挥其节电和工作速变快的优点，其可用于便携装置的控制用集成电路之中。其主要有以下几方面的应用
7.2.1 数据采集和记录
铁电存储器(FRAM)的出现使工程师可以运用非挥发性的特点进行多次，高速写入。在这以前，在只有EEPROM的情况下，大量数据采集和记录对工程师来说是一件非常头疼的事。数据采集包括记录和储存数据。更重要的是能在失去电源的情况下，不丢失任何资料。在数据采集的过程中，数据需要不断高速写入，对旧资料进行更新。EEPROM的写入寿命和速度往往不能满足要求。典型应用包括：仪表(电力表，水表，煤气表，暖气表，记程车表)，测量，医疗仪表，非接触式聪明卡(RFID)，门禁系统，汽车记录仪(了解汽车事故的黑匣子)……
7.2.2存储配置参数(configuration/Setting Data)
以往在只有EEPROM的隋况下，由于写入次数限制，工程师们只能在侦测到掉电的时候，才把更新了的配置参数及时地存进EEPROM里。这种做法很明显地存在着可靠性的问题。铁电存储器(FRAY)的推出使工程师可以有更大的发挥空问去选择实时记录最新的配置参数。免去是否能在掉电时及时写入的忧虑。典型应用包括：电话里的电子电话簿，影印机，打印机，工业控制，机顶盒(Set—Top—Box)，网络设备，TFT屏显，游戏机，自动贩卖机……
7.2.3 非挥发性缓冲(buffer)记忆
铁电存储器(FRAM)无限次快速擦写的优点，使得这种产品十分适合担当重要系统里的暂存(buffer)记忆体。在一些重要系统里，往往需要把资料从一个子系统非实时地传到另一个子系统去。由于资料的重要性，缓冲区内的数据在断电时不能丢失。以往，工程师们只能通过SRAM加后备电池的方法去实现。显然这种方法隐藏着电池耗干，化学液体泄出等安全，可靠性问题。铁电存储器(FRAM)的出现为业界提供了一个高可靠性，但低成本的方案。典型应用包括：银行自动提款机(ATM)，税控机，商业结算系统(POS)，传真机……
7.2.4 SRAM的取代和扩展
FRAM无限次快速擦写和非挥发性特点使工程师可以把现在电路上分离的SRAM和EEPROM两种存储器整合到一个铁电存储器里，为整个系统节省功耗与成本、减少体积，同时增加整个系统的可靠性。如可用一个FRAM加一个便宜的单片机方案来取代一个嵌入式SRAM的较贵单片机加外围EEPROM的系统方案。我们向来用EEPROM来存储设置资料和启动程式，用SRAM来暂存系统或运算变数。如果掉电后这些数据仍需保留的话，我们会通过加上后备电池的方法去实现。很久以来我们没有检验这种记忆体架构的合理性。铁电存贮器(FRAM)的出现为大家提供了一个简洁而高性能的一体化存储技术。典型应用包括：用铁电存储器(FRAM)加一个便宜的单片机来取代一个较贵的SRAM嵌入式单片机和外围EEPRoM。
8 结语
铁电性已经被发现了90多年了，铁电材料的研究也是取得了很大的进展，并逐步应用到我们的生活中，改变着我们的生活。同时，铁电材料以及器件的研究任然存在很多问题，还有待我们在新原理、新方法、新效应、新应用进一步的深
入研究和应用。
参考文献:
[1] Trolier-Mckinstry S，Muralt P．Thin Film Piezoelectrics for MEMS[J]．Journal of
Electroceramics，2004，12：7－17．
[2] Barker A，Crowther S，Rees D．Room Temperature r．f．Magnetron Sputtered ZnO for
Electrom-Echanical Ddevices[J]．Sensors & Actuators，1997，5(3)：229－235．
[3] Gualtieri J G，Kosinski J A，Ballato A．Piezoelectric Materials for Acoustic Wave
Applications[J]．Trans UFFC，1994，41 (1)：53－58．
[4] Dubois M A，Muralt P．Properties of Aluminum Nitride Thin Films for Piezoelectric
Transducers and Microwave Filter Applications[J]．Appl Phys Lett，1999，74：3032－3034．
[5] Ledermann N，Muralt P，Baborowski J，et al．{100}-Textured，Piezoelectric Pb(Zr x，Ti1
)O3 Thin Films for MEMS：Integration，Deposition and Properties[J]．Sens Act A，2003 －x
105：162－170．
[6] Cichanowski S W，Newcomb G R．Power Capacitors[J]//Proceedings of the 20th Electrical
Electronics Insulation Conference．Boston：IEEE，1991，162-165．
[7] Lawless W N，Clark C F．Energy Storage at 77K in Multilayer Ceramic Capacitors[J]．IEEE
Aerospace and Electronic Systems Magazine，1997，12(5)：32－35．
[8] Yao Zhonghua，Liu Hanxing，Liu Yan，et al．Structure and Dielectric Behavior of Nd-Doped
BaTiO3 Perovskites Materials[J]．Chem and Phys，2008，109：475－481．
[9] Pu Yongpin(蒲永平)，Yang Gongan(杨公安)，Wang Jingfei(王瑾菲)，et al．高介高稳定性
BaTiO3基铁电陶瓷研究进展[J]．Eelectronic Component and Materials(电子元件与材料)，
2008，27(11)：1－3．
[10] Liu Bin(刘斌)，Wang Desheng(王德生)，Chen Wei(陈维)，et al．Ba2+浓度对SBBT 高压
陶瓷电容器电击穿特性的影响[J]．Rare Metal Materials and Engering(稀有金属材料与工程)，2002，31(6)：480-482．
[11] Ye Y，Zhang S C，Dogan F，et al．Influence of Nanocrystalline Grain Size on Breakdown
Strength of Ceramic Dielectrics[C]//14th IEEE International Pulsed Power
Conference．Dallas：IEEE2003，1－2：719－722．
[12] Goel T C，KumaR Pawan，James A R，et al．Processing and Dielectric Properties of Sol-Gel
Derived PMN-PT ( 68：32 ) Thin Films[J]．J Electroceram，2004，13：503－507．[13] Syamaprasad U，Sheeja Nair A R，Sarma M S，et al．Multilayer Capacitor Ceramics in the
PMN-PT-BT System：Effect of MgOand 4PbO·B2O3 Additions[J]．J Mater Sci：：Materials in Electronics，1997(8)：199－205．
[14] Bune A V．Two-Dimensional Ferroelectric Films[J]．Nature，1998，391：874－877．
[15] Dawber M．Physics of Thin-Film Ferroelectric Oxides[J]．Reviews of Modern Physics，2005，
77：1 083－1 130．
[16] Vizdrik G．Kinetics of Ferroelectric Switching in Ultrathin Films[J]．Physical Review B，
2003，68：094 113．
[17] Contreras J R．Resistive Switching in Metal-Ferroelectric-Metal Junctions[J]．Appl Phys
Lett，2003，83：4 595－4 597．
[18] Yan Zhibo (颜志波)．Resistance Switching Behaviors in Complex Transition-Metal
Oxides(复杂过度金属氧化物的电阻开关行为研究)[D]．Nanjing：Nanjing University，2011．
[19]钟维烈．铁电物理学．北京：科学出版社，1998．
[20] J．F．Scott．Ferroelectric Memories．Berlin：Springer -Verlag,2000．朱劲松，吕笑梅，朱旻，译．铁电存储器．北京：清华大学出版社，2004．
[21] G．D．Hu, S．H．Fan, X．Cheng．Anisotropy of ferroelectric and piezoelectric properties of Bi3．14Pr0．85Ti3O12 thin films on Pt (100)/Ti/SiO2/Si substrates．J．Appl．Phys，2007，101：054111 (1-6)．
压电和铁电材料
7.4 热电、压电和铁电材料 根据固体材料对外电场作用的响应方式不同，我们可以把它们分成两类。一类是导电材料，即超导体、导体、半导体和绝缘体，它们是以传导方式传递外界电场的作用和影响（可以是电子传导、空穴传导和离子传导）。另一类固体材料则是以感应方式来传递外界电场的作用和影响，这类材料叫做介电材料或电介质材料。 电介质材料置于外电场作用下，电介质内部就会出现电极化，原来不带电的电介质，其内部和表面将受感应而产生一定的电荷。电极化可以用极化强度P 表示（单位体积内感应的偶极矩），这种电极化可以分为电子极化、离子极化和取向极化。有一类电介质即使无外电场的作用其内部也会出现极化，这种极化称为自发极化，它可用矢量来描述。由于这种自发极化的出现，在晶体中形成了一个特殊的方向，具有这种特殊结构的电介质，每个晶胞中原子的构型使正负电荷重心沿这个特殊方向发生相对位移，形成电偶极矩，使整个晶体在该方向上呈现了极性，一端为正，一端为负，这个特殊方向称为特殊极性方向，在晶体学中通常称为极轴。而具有特殊极性方向的电介质称为极性电介质。 晶体的许多性质，诸如介电、压电、热电和铁电性，以及与之相关的电致伸缩性质、非线性光学性质、电光性质、声光性质、光折变性质等，都是与其电极化性质相关的。晶体在外电场作用下，引起电介质产生电极化的现象，称为晶体的介电性。 7.4.1热电材料 1. 热电效应 (1) 塞贝克(Seebeck)效应 当两种不同金属接触时，它们之间会产生接触电位差。如果两种不同金属形成一个回路时，两个接头的温度不同，则由于该两接头的接触电位不同，电路中会存在一个电动势，因而有电流通过。电流与热流之间有交互作用存在，其温度梯度不但可以产生热流，还可以产生电流，这是一种热电效应，称为塞贝克效应，其所形成的电动势，称为塞贝克电动势。塞贝克电动势的大小既与材料有关，也是温度差的函数。在温度差?T较小时，塞贝克电动势E AB与温度差呈线性关系，即E AB=S AB?T，式中S AB为材料A和B的相对塞贝克系数。通常规定，在热端的电
虚拟存储器管理实验报告
淮海工学院计算机科学系实验报告书 课程名：《操作系统》 题目：虚拟存储器管理 页面置换算法模拟实验 班级： 学号： 姓名：
一、实验目的与要求 1.目的： 请求页式虚存管理是常用的虚拟存储管理方案之一。通过请求页式虚存管理中对页面置换算法的模拟，有助于理解虚拟存储技术的特点，并加深对请求页式虚存管理的页面调度算法的理解。 2.要求： 本实验要求使用C语言编程模拟一个拥有若干个虚页的进程在给定的若干个实页中运行、并在缺页中断发生时分别使用FIFO和LRU算法进行页面置换的情形。其中虚页的个数可以事先给定（例如10个），对这些虚页访问的页地址流（其长度可以事先给定，例如20次虚页访问）可以由程序随机产生，也可以事先保存在文件中。要求程序运行时屏幕能显示出置换过程中的状态信息并输出访问结束时的页面命中率。程序应允许通过为该进程分配不同的实页数，来比较两种置换算法的稳定性。 二、实验说明 1．设计中虚页和实页的表示 本设计利用C语言的结构体来描述虚页和实页的结构。 在虚页结构中，pn代表虚页号，因为共10个虚页，所以pn的取值范围是0—9。pfn代表实页号，当一虚页未装入实页时，此项值为-1；当该虚页已装入某一实页时，此项值为所装入的实页的实页号pfn。time项在FIFO算法中不使用，在LRU中用来存放对该虚页的最近访问时间。 在实页结构中中，pn代表虚页号，表示pn所代表的虚页目前正放在此实页中。pfn代表实页号，取值范围（0—n-1）由动态指派的实页数n所决定。next是一个指向实页结构体的指针，用于多个实页以链表形式组织起来，关于实页链表的组织详见下面第4点。 2．关于缺页次数的统计 为计算命中率，需要统计在20次的虚页访问中命中的次数。为此，程序应设置一个计数器count，来统计虚页命中发生的次数。每当所访问的虚页的pfn项值不为-1，表示此虚页已被装入某实页内， 此虚页被命中，count加1。最终命中率=count/20*100%。 3．LRU算法中“最近最久未用”页面的确定 为了能找到“最近最久未用”的虚页面，程序中可引入一个时间计数器countime，每当要访问 一个虚页面时，countime的值加1，然后将所要访问的虚页的time项值设置为增值后的当前
铁电存储器原理及应用比较
铁电存储器原理及应用比较摘要：介绍铁电存储器（FRAM）的一般要领和基本原理，详细分析其读写操作过程及时序。将FRAM与其它存储器进行比较，分析在不同场合中各自的优缺点。最后以FM1808为例说明并行FPGA与8051系列单片机的实际接口，着重分析与使用一般SRAM的不同之处。关键词：铁电存储器 FRAM原理 8051 存储技术1 背景铁电存储技术最在1921年提出，直到1993年美国Ramtron国际公司成功开发出第一个4Kb的铁电存储器FRAM产品，目前所有的FRAM产品均由Ramtron公司制造或授权。最近几年，FRAM又有新的发展，采用了0.35μm工艺，推出了3V产品，开发出“单管单容”存储单元的FRAM，最大密度可在256Kb。2 FRAM原理FRAM利用铁电晶体的铁电效应实现数据存储，铁电晶体的结构如图1所示。铁电效应是指在铁电晶体上施加一定的电场时，晶体中心原子在电场的作用下运动，并达到一种稳定状态；当电场从晶体移走后，中心原子会保持在原来的位置。这是由于晶体的中间层是一个高能阶，中心原子在没有获得外部能量时不能越过高能阶到达另一稳定位置，因此FRAM保持数据不需要电压，也不需要像DRAM一样周期性刷新。由于铁电效应是铁电晶体所固有的一种偏振极化特性，与电磁作用无关，所以FRAM存储器的内容不会受到外界条件（诸如磁场因素）的影响，能够同普通ROM存储器一样使用，具有非易失性的存储特性。FRAM的特点是速度快，能够像RAM一样操作，读写功耗极低，不存在如E2PROM的最大写入次数的问题；但受铁电晶体特性制约，FRAM仍有最大访问（读）次数的限制。2．1 FRAM 存储单元结构FRAM的存储单元主要由电容和场效应管构成，但这个电容不是一般的电容，在它的两个电极板中间沉淀了一层晶态的铁电晶体薄膜。前期的FRAM的每个存储单元使用2个场效应管和2个电容，称为“双管双容”（2T2C），每个存储单元包括数据位和各自的参考位，简化的2T2C存储单元结构如图2（a）所示。2001年Ramtron设计开发了更先进的“单管单容”（1T1C）存储单元。1T1C的FRAM所有数据位使用同一个参考位，而不是对于每一数据位使用各自独立的参考位。1T1C的FRAM产品成本更低，而且容量更大。简化的1T1C存储单元结构（未画出公共参考位）如图2（b）所示。2.2 FRAM的读/写操作FRAM保存数据不是通过电容上的电荷，而是由存储单元电容中铁电晶体的中心原子位置进行记录。直接对中心原子的位置进行检测是不能实现的。实际的读操作过程是：在存储单元电容上施加一已知电场（即对电容充电），如果原来晶体中心原子的位置与所施加的电场方向使中心原子要达到的位置相同，中心原子不会移动；若相反，则中心原子将越过晶体中间层的高能阶到达另一位置，在充电波形上就会出现一个尖峰，即产生原子移动的比没有产生移动的多了一个类峰。把这个充电波形同参考位（确定且已知）的充电波形进行比较，便可以判断检测的存储单元中的内容是“1”或“0”。[!--empirenews.page--]无论是2T2C还是1T1C的FRAM，对存储单元进行读操作时，数据位状态可能改变而参考位则不会改变（这是因为读操作施加的电场方向与原参考位中原子的位置相同）。由于读操作可能导致存储单元状态的改变，需要电路自动恢复其内容，所以每个读操作后面还伴随一个“预充”（precharge）过程来对数据位恢复，而参考位则不用恢复。晶体原子状态的切换时间小于1ns，读操作的时间小于70ns，加上“预充”时间60ns，一个完整的读操作时间约为130ns。图2 写操作和读操作十分类似，只要施加所要的方向的电场改变铁电晶体的状态就可以了，而无需进行恢复。但是写操作仍要保留一个“预充”时间，所以总的时间与读操作相同。FRAM的写操作与其它非易失性存储器的写操作相比，速度要快得多，而且功耗小。2.3 FRAM的读写时序在FRAM读操作后必须有个“预充电”过程，来恢复数据位。增加预充电时间后，FRAM一个完整的读操作周期为130ns，如图3（a）所示。这是与SRAM和E2PROM不同的地方。图3（b）为写时序。3 FRAM与其它存储技术比较目前Ramtron公司的FRAM主要包括两大类：串行FRAM和并行FRAM。其中串行FRAM 又分I2C两线方式的FM24××系列和SPI三线方式的FM25xx系列。串行FRAM与传统的24xx、25xx型的E2PROM引脚及时序兼容，可以直接替换，如Microchip、Xicor公司的同型号产品；并行FRAM价格较高但速度快，由于存在“预充”问题，在时序上有所不同，不能和传统的
铁电陶瓷材料的应用以及生产工艺之七
铁电陶瓷材料的应用以及生产工艺之七 铁电陶瓷材料，是指具有铁电效应的一类功能性陶瓷材料，它是热释电材料的一个分支。 可用于大容量的电容器、高频用微型电容器、高压电容器、叠层电容器和半导体陶瓷电容器等，可以制作介质放大器和相移器等。利用其热释电性，可制作红外探测器等。也用于制造光阀、光调制器、激光防护镜和热电探测器等。 广泛应用于航天、军工、新能源产品。 这里介绍，主要是参考它的加工工艺，比如为固体电解质的加工提供一定的参考。另一方面是顺便了解一下这特种陶瓷的用途。 室温研磨法固相反应制备铁电陶瓷粉末： ――机械合金化制备的铁电体：锆钛酸铅 锆钛酸铅(Pb(ZrxTi1－X)O，或PZT)是PT和锆酸铅(PbZrO3或PZ)的 固溶体，具有杰出的铁电、压电、热电和光电性能，广泛应用于传感器、声纳、微动台、旋转式激励器和热电传感器中。 有专家研究了用具有碳化钨筒和球的行星高能球磨机对(PbO、ZrO2和TiO2)混合物球磨不同时间后PZT相的形成情况。球磨4h没有形成PZT，但PbO衍射峰大大变宽并弱化，球磨15和24h后，PZT成为主要相。球磨过程中，相变会导致不同程度的体积膨胀。研究表明，延长球磨时间，体积膨胀程度减小，意味着未反应的氧化物数量减少。球磨24 h的混合物反应完全，故几乎没有观察到体积膨胀。 有专家通过行星球磨机对PbO、ZrO2、TiO2氧化物强化粉碎(高的 球磨速度和大的球料比)5—480min后发现，球磨lh便得到PZT相及少量未反应的ZrO2，球磨2h时后相组成相同，未反应的ZrO2量达到最少。对球磨粉末做比表面积测试后发现，球磨30min后其比表面积达到最大，并促进了初始氧化物间的反应，以致球磨1h后几乎得到纯PZT相，
铁电随机存储器(FRAM)的工作原理(EN)
Technology Note Sept. 2007 Ramtron International Corporation 1850 Ramtron Drive, Colorado Springs, CO 80921 (800) 545-FRAM, (719) 481-7000, Fax (719) 481-7058 F-RAM Technology Brief Overview Established semiconductor memory technologies are divided into two categories: 1. RAMs are Random Access Memories, which simply means that the access time for reads and writes are symmetric. 2. Nonvolatile memories have traditionally been ROM (Read Only Memory) until the advent of floating gate technology, which produced electrically erasable memories such as Flash and EEPROM. These products allow for in-system programming but read and write access times are dissimilar. In fact, the write access times can be several orders of magnitude greater than the read access times. Ferroelectric Random Access Memory or F-RAM has attributes that make it the ideal nonvolatile memory. It is a true nonvolatile RAM. The write advantages and non-volatility make it quite suitable for storing data in the absence of power. Ferroelectric Property The ferroelectric property is a phenomena observed in a class of materials known as Perovskites. Figure 1 shows a Perovskite crystal. The atom in the center has two equal and stable low energy states. These states determine the position of the atom. If a field is applied in the proper plane, the atom will move in the direction of the field. Applying an electric field across the crystal causes the low energy state or position to be in the direction of the field and, conversely, the high energy state in the opposite position. The applied field will, therefore, cause the atom to move from the high energy state to the low energy state. This transition produces energy in the form of charge generally referred to as switch charge (Qs). Therefore, applying an alternating electric field across the crystal will cause the atom to move from the top of the crystal to the bottom and back again. Each transition will produce charge, Qs. Figure 1. Ferroelectric (Perovskite) Crystal A common misconception is that ferroelectric crystals are ferromagnetic or have similar properties. The term “ferroelectric” refers to similarity of the graph of charge plotted as a function of voltage (Figure 2) to the hysteresis loop (BH curve) of ferromagnetic materials. Ferroelectric materials switch in an electric field and are not affected by The ferroelectric material has two states, the atom at the top, which is referred to as up polarization, and the atom at the bottom, which is referred to as down polarization (Figure 3). Therefore, with a viable sensing scheme a binary memory can be produced. Figure 3. Crystal Polarization
压电陶瓷材料及应用
压电陶瓷材料及应用 一、概述 1.1电介质 电介质材料的研究与发展成为一个工业领域和学科领域，是在20世纪随着电气工业的发展而形成的。国际上电介质学科是在20世纪20年代至30年代形成的，具有标志性的事件是：电气及电子工程师学会（IEEE）在1920年开始召开国际绝缘介质会议，以后又建立了相应的分会（IEEE Dielectric and Electrical Insulation Society）。美国MIT建立了以Hippel教授为首的绝缘研究室。苏联列宁格勒工学院建立了电气绝缘与电缆技术专业，莫斯科工学院建立了电介质与半导体专业。特别是德国德拜教授在20世纪30年代由于研究了电介质的极化和损耗特性与其分子结构关系获得了诺贝尔奖，奠定了电介质物理学科的基础。随着电器和电子工程的发展，形成了研究电介质极化、损耗、电导、击穿为中心内容的电介质物理学科。 我国电介质领域的发展是在1952年第一个五年计划制定和实行以来，电力工业和相应的电工制造业得到迅速发展，这些校、院、所、首先在我国开展了有关电介质特性的研究和人才的培养，并开出了“电介质物理”、“电介质化学”等关键专业课程，西安交大于上海交大、哈尔滨工大等院校一道为我国培养了数千名绝缘电介质专业人才，促进了我国工程电介质的发展。80年代初中国电工技术学会又建立了工程电介质专业委员会。 近年来，随着电子技术、空间技术、激光技术、计算机技术等新技术的兴起以及基础理论和测试技术的发展，人们创造各种性能的功能陶瓷介质。主要有： （1）、电子功能陶瓷如高温高压绝缘陶瓷、高导热绝缘陶瓷、低热膨胀陶瓷、半导体陶瓷、超导陶瓷、导电陶瓷等。 （2）、化学功能陶瓷如各种传感器、化学泵等。 （3）、电光陶瓷和光学陶瓷如铁电、压电、热电陶瓷、透光陶瓷、光色陶瓷、玻璃光纤等。（电介质物理——邓宏）
AD10原理图封装列表
原理图封装列表 Name Description ------------------------------------------------------------------------------------------------- 74ACT573T双向数据传输 74HC138138译码器 74HC1544-16译码器 74HC4052双通道模拟开关 74HC595移位寄存器 74HVC32M双输入或门 74LS32M双输入或门 74VHC04M非门 ACS712电流检测芯片 ACT45B共模电感 AD5235数控电阻 AD8251可控增益运放 AD8607AR双运放 AD8667双运放 AD8672AR双运放 ADG836L双刀双掷数字开关 AFBR-5803-ATQZ光以太网 AS1015可调升压芯片 ASM1117 3.3V稳压芯片 AT24C02EEROM存储器 AT89S5251系列单片机 BC57F687蓝牙音频模块 BCP68NPN三极管 BCP69T PNP三极管 BEEP蜂鸣器 BMP闪电符号 BTS7970电机驱动 Battery备份电池 Butterfly功率激光器 Butterfly-S功率激光器 CD4052BCM双通道模拟开关 CG103BOSCH点火芯片 CHECK测试点 CY7C026AV RAM CY7C1041CV33RAM Cap无极性电容 Cap Pol极性电解电容 D Connector 15VGA D Connector 9串口
D-Schottky肖特基二极管 DAC8532数模转换 DM9000A网络芯片 DM9000C网络芯片 DP83848I网络芯片 DPY-4CA共阳4位数码管 DPY-4CK共阴4位数码管 DRV411闭环磁电流 DS1307Z实时时钟 DS18B20温度传感器 Diode二极管 Diode-Z稳压二极管 Diode_CRD恒流二极管 EMIF接插件 FIN散热片 FM24CL16铁电存储器 FPC-30P FPC排线连接器 FPC-40P FPC排线连接器 FT232RL USB转串口 FZT869NPN三极管 Fuse 2保险丝 G3VM-61半导体继电器 GA240Freescale16位单片机HFBR-1414光发送 HFBR-2412光接收 HFKC单刀双掷继电器 HK4100F单刀双掷继电器 HR911103A网络接口 HR911105A以太网接口 HS0038B红外接收器 Header 10Header, 10-Pin Header 10X2Header, 10-Pin Header 14X2B2*14双排插针 Header 16Header16贴片 Header 16X2接插件 Header 2接插件 Header 2X2A接插件 Header 2X2B接插件 Header 3接插件 Header 32X2接插件 Header 4接插件 Header 40接插件 Header 5X2接插件 Header 6接插件
第5章虚拟存储器-题库及参考答案
第5章虚拟存储器－选择题参考答案 一、单项选择题 1.【2012统考真题】下列关于虚拟存储器的叙述中,正确的是() A.虚拟存储只能基于连续分配技术 B.虚拟存储只能基于非连续分配技术 C.虚拟存储容量只受外存容量的限制 D.虚拟存储容量只受内存容量的眼制 2.请求分页存储管理中,若把页面尺寸增大一倍而且可客纳的最大页数不变则在程序顺序执行时缺页中断次数 会() A.增加 B.减少 C.不变 D.可能增加也可能减少 3.进程在执行中发生了缺页中断,经操作系统处理后,应让其执行()指令 A.被中断的前一条 B.被中断的那一条 C.被中断的后一条 D.启动时的第一条 4.【2011统考真题】在缺页处理过程中,操作系统执行的操作可能是() Ⅰ.修改页表Ⅱ.磁盘1O Ⅲ.分配页框 A.仅Ⅰ、Ⅱ B.仅Ⅱ C.仅Ⅲ D.Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ 5.【2013统考真题】若用户进程访问内存时产生缺页,则下列选项中,操作系回 统可能执行的操作是() Ⅰ.处理越界错Ⅱ.置换页Ⅲ.分配内存 A.仅Ⅰ、Ⅱ B.仅Ⅱ、Ⅲ C.仅Ⅰ、Ⅲ D.Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ 6.虚拟存储技术是() A.补充内存物理空间的技术 B.补充内存逻辑空间的技术 C.补充外存空间的技术 D.扩充输入/输出缓冲区的技术 7.以下不属于虚拟内存特征的是() A.一次性 B.多次性 C.对换性 D.离散性 8.为使虚存系统有效地发挥其预期的作用,所运行的程序应具有的特性是() A.该程序不应含有过多的O操作 B.该程序的大小不应超过实际的内存容量 C.该程序应具有较好的局部性 D.该程序的指令相关性不应过多 9.()是请求分页存储管理方式和基本分页存储管理方式的区别 A.地址重定向 B.不必将作业全部装入内存 C.采用快表技术 D.不必将作业装入连续区城 10.下面关于请求页式系统的页面调度算法中,说法错误的是() A.一个好的页面调度算法应减少和迎免抖动现象
FM31256的基本结构及原理
FM31256的基本结构及原理 摘要FM31256是一种基于I2C总线、采用铁电体技术的多功能存储芯片。除了非易失存储器外，该器件还具有实时时钟、低电压复位、看门狗计数器、非易失性事件计数器、可锁定的串行数字标识等多种功能。文章主要介绍了FM31256的基本功能、原理，并结合实例给出了其在电磁铸轧电源控制装置中的具体应用方法。 关键词I2C总线铁电体技术 RTC MSP430F FM31256是由Ramtron公司推出的新一代多功能系统监控和非易失性铁电存储芯片。与其他非易失性存储器比较，它具有如下优点：读/写速度快，没有写等待时间；功耗低，静态电流小于1 mA，写入电流小于150 mA；擦写使用寿命长，芯片的擦写次数为100亿次，比一般的EEPROM存储器高10万倍，即使每秒读/写30次，也能用10年；读/写的无限性，芯片擦写次数超过100亿次后，还能和SRAM一样读/写。 铁电存储器(FRAM)的核心技术是铁电晶体材料。这一特殊材料使铁电存储器同时拥有随机存取存储器(RAM)和非易失性存储的特性。本文介绍了FM31256的主要功能，并具体给出了基于嵌入式C语言编写的存储器读/写程序。 1 FM31256的基本结构及原理 FM31256由256 KB存储器和处理器配套电路（processor companion）两部分组成。与一般的采用备份电池保存数据不同，FM31256是真正意义上的非易失（truly nonvolatile）存储器，并且用户可以选择对不同的存储区域以软件方式进行写保护。 FM31256 器件将非易失FRAM与实时时钟（RTC）、处理器监控器、非易失性事件计数器、可编程可锁定的64位ID号和通用比较器相结合。其中，通用比较器可提前在电源故障中断(NMI)时发挥作用或实现其他用途。采用先进的0.35 μm制造工艺，这些功能通过一个通用接口嵌入到14个引脚的SOIC封装中，从而取代系统板上的多个元件。存储器的读/写以及其他控制功能都通过工业标准的I2C总线来实现。 图1为FM31256的原理图。其中，SDA和SCL引脚用于与CPU进行数据交换和命令写入，数据输出部分均具有施密特触发器，以提高抗干扰性能；同时，SDA 作为二线接口中的双向信号线，集电极开路输出，可与二线总线上其他器件进行“线或”。A1～A0为器件地址选择信号，即总线上可同时使用4个同类器件。正常模式下，PFI引脚分别为比较器的输入（不可悬空），CAL/PFO引脚输出PFI 引脚的输入信号与1.2 V参考电压之间的比较结果；校准模式下，CAL/PFO引脚将输出512 Hz的方波用于时钟校准。CNT2～CNT1是通过备份电池支持的事件计数器的两路输入端，通过边沿触发启动计数器，触发沿由用户自由选择。
关于铁电材料的发展历史和现状(1)
关于铁电材料的发展历史和现状(1) 符春林潘复生蔡苇邓小玲 论文关键词：铁电材料罗息盐磷酸二氢钾钙钛矿 论文摘要：铁电材料是～类重要的功能材料，是近年来高新技术研究的前沿和热点之一符春林潘复生蔡苇邓小玲论文关键词：铁电材料罗息盐磷酸二氢钾钙钛矿 论文摘要：铁电材料是～类重要的功能材料，是近年来高新技术研究的前沿和热点之一。通过罗息盐时期一发现铁电性、KDP时期一铁电热力学理论、钙钛矿时期一铁电软模理论、铁电薄膜及器件时期～小型化四个阶段阐述了铁电材料的发展历史，提出了研究中需要解决的一些问题。 铁电材料是一类重要的功能材料．它具有介电性、压电性、热释电性、铁电性以及电光效应、声光效应、光折变效应和非线性光学效应等重要特性，可用于制作铁电存储器、热释电红外探测器、空间光调制器、光波导、介质移相器、压控滤波器等重要的新型元器件。这些元器件在航空航天、通信、家电、国防等领域具有广泛的应用前景。因此铁电材料成了近年来高新技术研究的前沿和热点之一。 早在远古时期，人们就知道某些物质具有与温度有关的自发电偶极距，因为它们被加热时具有吸引其它轻小物体的能力。1824年Brewster观察到许多矿石具有热释电性。l880
年约·居里和皮·居里发现当对样品施加应力时出现电极化的现象。但是，早期发现的热释电体没有一个是铁电体。在未经处理的铁电单晶中。电畴的极化方向是杂乱的，晶体的净极化为零，热释电响应和压电响应也十分微小，这就是铁电体很晚才被发现的主要原因。直到l920年，法国人Valasek 发现了罗息盐特异的介电性能，才掀开了铁电体的历史。 在铁电发展史上的重要历史事件按年代顺序列于表l 中。 1四个发展阶段 关于铁电的发展历史，大体可以分为以下四个阶段。 1．1罗息盐时期一发现铁电性 1919年，JosephVa1asek在美国明尼苏达州大学读研究生，师从物理学家WFGSwan教授。从事宇宙射线物理理论研究工作而闻名于世的Swan教授建议Valasek研究罗息盐单晶的物理性能。在接下来的两年里，Valasek测量了罗息盐的线性介电响应、非线性介电性能、压电性能、热释电现象等宏观性能。1920年4月23日在华盛顿举办的美国物理学会会议上，铁电性概念诞生了。 Valasek在“PiezoelectricandalliedphenomenainR0chellesalt”报告中指出：电位移D、电场强度E、极化强度尸分别类比于磁学中的、和，．罗息盐中P与E之间存在的回线与磁滞回
铁电材料的特性及应用综述
铁电材料的特性及应用综述 孙敬芝 （河北联合大学材料科学与工程学院河北唐山 063009）摘要：铁电材料具有良好的铁电性、压电性、热释电以及性光学等特性以及原理，铁电材料是具有驱动和传感2 种功能的机敏材料, 可以块材、膜材(薄膜和厚膜) 和复合材料等多种形式应用, 在微电子机械和智能材料与结构系统中具有广阔的潜在应用市场。 关键词：铁电材料；铁电性；应用前景 C haracteristics and Application of Ferroelectric material Sun Jingzhi ( Materials Science and Engineering college, Hebei United University Tangshan 063009,China ) Abstract:Ferroelectric material has good iron electrical, piezoelectric , pyroelectric and nonlinear optical properties, such as a driver and sensing two function piezoelectric materials, can block material, membrane materials (film and thick film) and the compound Material of a variety of forms such as application, in microelectromechanical and intelligent materials and structures in the system with vast potential application market. Keywords: ferroelect ric materials Iron electrical development trend 0前言 晶体按几何外形的有限对称图象, 可以分为32 种点群, 其中有10 种点群: 1, 2, m , mm 2, 4,4mm , 3, 3m , 6, 6mm , 它们都有自发极化。从对称性分析它们的晶体结构都具有所谓的极轴, 即利用对称操作不能实现与晶体的其它晶向重合的轴向, 极轴二端具有不同的物理性能。从物理性质上看, 它们不但具有自发极化, 而且其电偶极矩在外电场作用下可以改变方向。在介电强度允许条件下, 能够形成电滞回线。晶体这种性能称为铁电性, 具有铁电性的材料称为铁电材料。1920 年法国人V alasek 发现了罗息盐(酒石酸钾钠 ) 的特异介电性, 导致“铁电性”概念的出现(也有人认为概念出现更早)。现在各种铁电材料十分丰富,
linux系统如何实现虚拟存储器
linux系统如何实现虚拟存储器 摘要：Linux 操作系统是一种能运行于多种平台、源代码公开、免费、功能强大、与Unix 兼容的操作系统。本文主要阐述了Linux 虚存管理的基本特点, 并分析了Linux 页式存储管理的特点、虚存的实现方法, 以及主要Linux虚拟地址空间的管理。此外还介绍了Linux缺页中断处理。 关键字：Linux ; 虚存管理; 中断处理 1.虚拟存储器 虚拟存储器的概念：以透明的方式给用户提供一个比实际内存大的多的作业地址空间。它不是任何实际的物理存储器，而是一个非常大的存储器的逻辑模型。 虚拟存储技术的实现思想：根据程序执行的局部性原理，在作业信息不全部装入内存的情况下，作业是可以运行的。例如对于一个4页大小的作业，当前只有3个空闲内存块，运行改作业的可行的办法就是将作业的3页装入内存的3个空闲块，先运行这3页，而将剩余的页暂时存放在外存上，待需要使用在第4页上的信息时，再选中在内存中的一页交换出内存，从而让出一个内存块以便装入第4页。作业的页面在内存与外存上的交换这一过程对用户是透明的，它是由操作系统自动完成的，这也相当于利用外存的空间扩充了内存空间。这就是虚拟存储技术的实现思想。根据虚拟存储技术的实现思想可知实现虚拟存储器必须具备以下条件： （1）实际内存空间。由于用户程序要在实际内存中运行，所以内存空间是实现虚拟存储器的基础。 （2）外存上的内存交换区。用户作业的一部分进入内存，另一部分暂时存放在外存的一个区域中，作业在内存与该区域之间换进、换出，该区域作为内存的扩充空间，因此，这个区域称为内存交换区。内存交换区的大小是可以设定的。但它必须受虚拟地址空间的限制。 （3）虚拟地址。针对虚拟存储器的使用，用户在编制程序时应使用逻辑地址。因此，逻辑地址也称为虚拟地址，逻辑地址空间也称为虚拟地址空间。虽然使用虚拟存储技术使得用户的作业的大小可以大于实际内存的大小，但是还是受到虚拟地址空间的限制，而虚拟地址空间的大小受到地址寄存器位数的限制，如一个32位的地址寄存器其虚拟地址空间最大为232字节，即4GB。 （4）换进、换出机制。如何实现作业在内存与交换区之间换进、换出？怎样选择作业在内存部分中的一部分进行换出？这都是实现虚拟存储技术必须解决的问题。 2.页式虚拟存储基本原理 基本思想：作业信息的副本存放在外存上，当作业被调度运行时，至少要将作业的第一页内容装入内存，在执行的过程当中，访问到不在内存的页时，再把它们调入内存。
完美的铁电存储器
完美的铁电存储器 一. Fujitsu铁电存储器(FRAM) 技术原理 日本Fujitsu公司是全球最大的铁电存储器(FRAM)供货商，至2010年12月31日，全球已经累计出货17亿颗铁电存储器！ Fujitsu公司铁电存储器(FRAM)的核心技术是铁晶体管材料，这一特殊材料使得铁电存储产品同时拥有随机存取内存(RAM) 和非挥发性存贮产品(ROM)的特性。 铁晶体管材料的工作原理是：当我们把电场加载到铁晶体管材料上，晶阵中的中心原子会沿着电场方向运动，到达稳定状态，晶阵中的每个自由浮动的中心原子只有两个稳定状态，一个我们拿来记忆逻辑中的０、另一个记亿１，中心原子能在常温，没有电场的情况下停留在此状态达一百年以上。铁电存储器不需要定时刷新，能在断电情况下保存资料。 二、Fujitsu铁电存储器(FRAM) 技术优点 传统半导体内存有两大体系：挥发性内存(Volatile Memory)，和非挥发性内存(Non-volatile Memory)。 挥发性内存如SRAM和DRAM 在没有电源的情况下都不能保存资料，但这种内存拥有高性能、易用等优点。 非挥发性内存像 EPROM、 EEPROM和 FLASH 能在断电后仍保存资料，但由于所有这些内存均起源自只读存储器 (ROM) 技术，所以您不难想象得到它们都有不易写入的缺点， 确切的来说，这些缺点包括写入缓慢、有限次写入次数、写入时需要特大功耗等等。 FRAM第一个最明显的优点是FRAM可跟随总线(Bus Speed)速度写入，若比较起 EEPROM/Flash的最大不同的是 FRAM在写入后无须任何等待时间(NoDelayTM Write)，而 EEPROM/Flash须要等 3~10毫秒 (mS) 才能写进下一笔资料。 铁电存储器(FRAM)的第二大优点是近乎无限次读写。当 EEPROM/Flash只能应付十万次 (10的5次方)至一百万次写入时，新一代的铁电存储器(FRAM)已达到一百亿个亿次(10的 10次方)的写入寿命。
铁电存储器工作原理和器件结构
铁电存储器工作原理和器件结构 摘要：铁电存储器与传统的非易失性存储器相比，具有功耗小、读写速度快、抗辐照能力强等优点，因此在一些特殊应用领域具有很好的市场。文章介绍了铁电存储器的基本工作原理，并介绍了两种主流的铁电材料。文章还介绍了铁电存储器的电路结构，包括2T2C、1T1C、1T2C以及链式结构，并说明了铁电存储器的读写过程。铁电存储器的器件结构主要有Planar 结构和Stacked 结构两种。Planar 结构制作工艺相对简单，但是集成度不高。Stacked 结构的集成度更高，对工艺的要求也更高。 1 铁电存储器简介 随着IT 技术的不断发展，对于非易失性存储器的需求越来越大，读写速度要求越来越快，功耗要求越来越小，现有的传统非易失性存储器，如EEPROM、FLASH 等已经难以满足这些需要了。 传统的主流半导体存储器可以分为两类：易失性和非易失性。易失性存储器包括静态存储器SRAM（Static RandomAccessMemory）和动态存储器DRAM（Dynamic RandomAccessMemory）。SRAM和DRAM在掉电的时候均会失去保存的数据。RAM 类型的存储器易于使用、性能好，可是它们同样会在掉电的情况下失去所保存的数据。 非易失性存储器在掉电的情况下并不会丢失所存储的数据。然而所有的主流非易失性存储器均源自于只读存储器（ROM）技术。正如你所猜想的一样，被称为只读存储器的东西肯定不容易进行写入操作，而事实上是根本不能写入。所有由ROM技术研发
出的存储器则都具有写入信息困难的特点。这些技术包括有EPROM、EEPROM和Flash。这些存储器不仅写入速度慢，而且只能有限次的擦写，写入时功耗大。相对于其他类型的半导体技术而言，铁电存储器具有一些独一无二的特性。铁电存储器能兼容RAM的一切功能，并且和ROM技术一样，是一种非易失性的存储器。铁电存储器在这两类存储类型间搭起了一座跨越沟壑的桥梁——一种非易失性的RAM。同传统的非易失性存储器相比，铁电存储器具有功耗小、读写速度快、抗辐照能力强等优点，因此受到很大关注。 2 铁电存储器工作原理 当一个电场被加到铁电晶体时，中心原子顺着电场的方向在晶体里移动。当原子移动时，它通过一个能量壁垒，从而引起电荷击穿。内部电路感应到电荷击穿并设置存储器。移去电场后，中心原子保持不动，存储器的状态也得以保存。因此，在一个外加电场下，铁电材料的极化特性会发生改变，当这个电场去掉以后，这个信息仍然能够保存。没有外加电场的情况下，极化特性有两种稳定的状态。图1 是一个铁电材料电容的电滞回线，显示了铁电电容在所加不同电场的情况下的不同极性。其中，最重要的两个参数是剩余极化程度P r，和矫顽场E c。在没有电场强度的情况下，+/-P r 就表示了“0”、“1”两个状态。为了获得这两个状态，所加电场必须大于+/-E c，因此，所需要的阈值电压也就确定了。相比之下，铁电电容的漏电流没有EEPROM、FLASH 之类的传统非易失性存储器那么重要，因为eRAM的信息存储是由极化来实现的，而不是自由电子。
铁电材料及其在存储器领域的应用
目录 摘要 (1) Abstract (1) 1 前言 (1) 2 压电材料 (2) 3 储能用铁电介质材料 (3) 3.1 BaTiO3基陶瓷 (3) 3.2 SrTiO3基陶瓷 (4) 3.3 TiO2陶瓷 (4) 3.4 PMN 基陶瓷以铌镁酸铅 (4) 4 有机铁电薄膜材料 (4) 5 铁电阻变材料 (5) 6 多铁性材料 (5) 7 铁电材料的应用 (5) 7.1 铁电存储器(MFSFET) (6) 7.2 铁电存储器的应用 (8) 8 结语 (9) 参考文献 (10)
铁电材料及其在存储器领域的应用 摘要：铁电材料的优秀电学性能孕育了它广阔的应用前景，其电子元件有着集成度高、能耗小、响应速度快等众多优点。而且目前研究者将铁电材料同其它技术相结合，使新诞生的集成铁电材料性能更为优秀。介绍了铁电材料的发展历史和当前的应用概况。 关键词：铁电材料；铁电性；存储器；应用 Application of ferroelectric materials and in the area of memory Abstract：Ferroelectric materials, one of the current research focuses with numbers of physical advantages such as high integration, low energy consumption and fast response, has broad application prospects in many aspects．Being combined with other physical technologies,the properties of ferroelectric materials can be significantly improved．Describes the historical development of ferroelectric materials and current applications． Keywords：ferroelectric materials；Iron electrical；memorizer ；development 1前言 铁电材料，是指具有铁电效应的一类材料，最早的铁电效应是在1920年由法国人Valasek在罗谢尔盐中发现的，这一发现揭开了研究铁电材料的序幕。在1935 年Busch发现了磷酸二氢钾KH2PO4——简称KDP，其相对介电常数高达30，远远高于当时的其它材料。1940年之后，以BaTiO3为代表的具有钙钛矿结构的铁电材料陆续被发现，这是铁电历史上里程碑式的时期。直至20世纪80年代，随着铁电唯象理论和软膜理论的逐渐完善，铁电晶体物理内涵的研究趋于稳定。20世纪80年代中期，薄膜制备技术的突破为制备高质量的铁电薄膜扫清了障碍，并且近年来随着对器件微型化、功能集成化、可靠性等要求的不断提高，传统的铁电块体由于尺寸限制已经不能满足微电子器件的要求。铁电器件在向薄膜尺寸量级过渡的同时又与半导体工艺结合，研究者们迎来了集成铁电体的时代。集成铁电体是凝聚态物理和固体电子学领域的热门课题之一。铁电材料有着